关于离散元法计算参数的探讨

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第26卷第1期河南理工大学学报(自然科学版)vo1．26No．12007年2月JOURNALOFHENANPOLYTECHNICUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Feb．2007关于离散元法计算参数的探讨焦红光，李靖如，，赵继芬，赵跃民(1．河南N-r大学材料科学与工程学院，河南焦作454003；2．中国矿业大学化7-学院，江苏徐州221008)摘要：计算时步、接触刚度等计算参数的选取对离散元法解的正确与否至关重要，目前普遍采用的方法是先确定接触刚度并选取保险系数后，按照经验公式求得计算时步，

2、但在保险系数的设定上有关文献却不尽相同．作者提出了一种新的方法——恢复系数检验法来选定计算参数．采用离散元法最常用的弹性一阻尼一滑动接触模型编制了计算程序，以颗粒同静置平面之间的正碰撞考察了不同计算参数下的模拟结果，除模拟得到恢复系数外，还考察了碰撞过程的总接触时间和总接触时步数．统计分析结果表明：计算时步是影响模拟精度最重要的因素；模拟误差还同恢复系数的设定值有关，设定值越大，模拟误差就越小；计算时步的大小虽然对碰撞过程的总接触时间影响不大，但是却决定了碰撞过程的总接触时步数，二者之间存在对数线性相关关系，关键词：离散元法；计算参数；数值模拟；计算时步；接

3、触刚度中图分类号：TD94文献标识码：A文章编号：1673—9787(2007)01-0088—060引言离散元方法(DiscreteElementMethod或DistinctElementMethod)是20世纪70年代发展起来的用来计算散体介质系统(干散体、湿散体或两相悬浮体)力学行为的一种数值方法，有学者把它称之为粒子动力学方法(ParticleDynamicsMethod)．DEM的思想源于较早的分子动力学(MolecularDy—namics)，其基本思想是把所研究的散体(或介质)离散为独立的“单元”或“粒子”，相邻的单元之间存在某种或几种作用力

4、，单元的运动受牛顿第二定律的支配，通过跟踪每个“单元”的微观运动可以得到模拟对象的力学、热学、物理或化学状态分布及演化规律．由于DEM是在颗粒的尺度上考察某些量的变化，以及可以利用基本的数据模拟复杂的颗粒流动系统而不需要作过多的假定，并且能够反映过程的本质机理，因而DEM的应用范围不断拓展，几乎覆盖了所有的散体物料处理领域，并在连续介质力学领域也找到了用武之地HI3J．根据选用接触模型的不同，离散元法模拟的计算参数也略有不同，但无论是何种实例的模拟，计算时步都是最重要的计算参数，而计算时步的大小又同其他计算参数之间存在着密切的关系．由于计算参数直接影响着离散

5、元法的模拟结果，因此合理地选定计算参数对离散元模拟成功与否至关重要．1DEM的基本原理和接触模型DEM的基本原理是建立在不同本构关系上的牛顿第二定律．它把散体看作为有限个基本元件的组合，研究对象不同，DEM的单元模型也不同，对颗粒系统，单个颗粒(圆盘或球)为一个单元；对块体系统，单个块体为一个单元．但是对于不同的单元模型，DEM的原理和计算过程都是一样的，即根据单元间力的相互作用和牛顿运动定律，采用动态(或静态)松弛法进行循环迭代计算，在每一个时步都更新单元的位置，并遍及整个单元集合．通过对系统中的每个单元的微观运动过程进行跟踪研究，即可得到整个系统的宏观运

6、动规律．收稿日期：2006—09—04；修回日期：2006—09—26基金项目：国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90210035)；国家杰出青年科学基金资助项目(50025411)作者简介：焦红光(1970一)，男，安徽亳州人。博士，工程师，从事选矿设备和工艺教学与研究．E-mail：hpujhg@126．corn维普资讯http://www.cqvip.com第1期焦红光等：关于离散元法计算参数的探讨89DEM首先要确定单元作用模型(接触模型)．对于不同的研究对象和研究目的，采用的作用模型也不同，其中最常见的是弹性一阻尼一滑动(Spring—Dash

7、pot—Slid—er)模型[一引．假定所研究的单元是准刚性的，即每个单元在计算过程中保持其形状和体积不变，接触单元就要依靠它们之间的“叠合”相互作用，这种作用是通过弹簧阻尼器和滑动摩擦器的变形所产生的力来体现的，如图1所示图1颗粒同平面之间的接触力学模型的颗粒同平面(也可视为其他颗粒)之间的接触力学模Fig．1Contactmodelbetweenparticleandplate型．其中，弹性元件K，K分别提供了接触点的法向力和切向力，当单元在接触点发生切向划移时，由库仑元件产生阻尼，同时解除切向粘性阻尼元件D；当单元间有拉力时，解除接触点的法向和切向阻尼

8、元件D，D．接触力F可以认为是弹性力F和阻尼力Fd的